퍼멀로이

1. 개요

퍼멀로이는 20세기 초 해저 전신 케이블의 인덕턴스 보상을 위해 개발된 니켈과 철의 합금이다. 니켈 함량에 따라 특성이 달라지며, 78-퍼멀로이, 45-퍼멀로이, 36-퍼멀로이, 퍼멀로이 C, 슈퍼멀로이 등이 있다. 높은 투자율과 낮은 보자력을 가져, 자기 센서, 변압기, 인덕터, 자기 차폐 재료 등 다양한 분야에 활용된다.

2. 역사

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퍼멀로이는 해저 전신 케이블의 인덕턴스 보상을 위해 개발되었다. 1860년대 설치된 최초의 대서양 횡단 해저 전신 케이블은 긴 도체로 인한 왜곡으로 신호 전송 속도가 분당 10~12단어로 제한되었다. 1885년 올리버 헤비사이드가 왜곡 없는 신호 전송 조건을 수학적으로 규명했고, 1902년 덴마크의 칼 에밀 크라룹이 철선을 감아 인덕턴스를 증가시키는 방법을 제안했지만, 철은 충분한 투자율을 가지지 못했다. 1914년 벨 연구소의 구스타프 엘먼이 규소강보다 높은 투자율을 가진 퍼멀로이를 발견했고, 1923년에는 열처리를 통해 투자율을 더욱 향상시킬 수 있음을 발견했다. 퍼멀로이 테이프를 사용하면 전신 케이블의 신호 전송 속도를 네 배까지 높일 수 있었다.

이러한 케이블 보상 방법은 1930년대에 감소했지만, 제2차 세계 대전까지 퍼멀로이는 전자공학 분야에서 다양하게 활용되었다.

2.1. 개발

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퍼멀로이는 20세기 초반에 해저 전신 케이블의 인덕턴스 보상을 위해 처음 개발되었다. 최초의 대서양 횡단 해저 전신 케이블이 1860년대에 설치되었을 때, 긴 도체가 왜곡을 일으켜 최대 신호 전송 속도가 분당 10~12단어로 제한된다는 사실이 밝혀졌다. 케이블을 통해 왜곡 없이 신호를 전송하기 위한 적절한 조건은 1885년 올리버 헤비사이드에 의해 수학적으로 처음으로 규명되었다. 1902년 덴마크의 칼 에밀 크라룹은 케이블에 철선을 감아 인덕턴스를 증가시켜 부하선로로 만들면 왜곡을 줄일 수 있다고 제안했다. 그러나 철은 대서양 횡단 케이블을 보상하기에 충분한 투자율을 가지고 있지 않았다. 오랜 연구 끝에 1914년 벨 연구소의 구스타프 엘먼이 규소강보다 높은 투자율을 가진 퍼멀로이를 발견했다. 나중에 1923년, 그는 열처리를 통해 퍼멀로이의 투자율을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 퍼멀로이 테이프를 감으면 전신 케이블의 신호 전송 속도를 네 배까지 높일 수 있다고 알려졌다.

이러한 케이블 보상 방법은 1930년대에 감소했지만, 제2차 세계 대전까지 퍼멀로이는 전자공학 분야에서 많은 용도로 사용되었다.

3. 조성 및 분류

퍼멀로이는 다양한 조성으로 만들어지며, 니켈의 함량(무게 기준)에 따라 숫자를 붙여 구분한다. 예를 들어 "45 퍼멀로이"는 니켈 45%, 철 55%를 포함한다. "몰리브덴 퍼멀로이"는 니켈 81%, 철 17%, 몰리브덴 2%로 구성되는데, 1940년 벨 연구소에서 개발하여 장거리 구리 전신선의 통신 속도를 크게 높였다.

Fe-Ni 이원계 합금은 니켈 함량이 약 78.5%일 때 초기 투자율이 가장 크다. 이 조성을 가진 합금을 좁은 의미에서 퍼멀로이(78-퍼멀로이, JIS 규격 퍼멀로이 A)라고 한다. 니켈 함량이 적으면 투자율은 작아지지만 포화자속밀도는 커지므로, 용도에 따라 36-퍼멀로이(JIS 규격 퍼멀로이 D), 45-퍼멀로이(JIS 규격 퍼멀로이 B) 등을 사용한다.

78-퍼멀로이에 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 크로뮴(Cr) 등을 첨가하면 투자율을 더 높일 수 있는데, 이를 JIS 규격에서는 퍼멀로이 C라고 부른다.

3.1. 조성

퍼멀로이는 니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금으로, 니켈 함량에 따라 특성이 달라진다. "45 퍼멀로이"는 니켈 45%, 철 55%를 포함한다. 1940년 벨 연구소는 니켈 81%, 철 17%, 몰리브덴 2%로 구성된 "몰리브덴 퍼멀로이"를 발명해 장거리 구리 전신선의 통신 속도를 크게 향상시켰다. 슈퍼멀로이는 니켈 79%, 철 16%, 몰리브덴 5%로 구성된 "연자성" 재료로, 높은 투자율과 낮은 보자력을 가진다.

Fe-Ni 이원계 합금은 Ni 함량이 약 78.5% 부근일 때 초기 투자율이 가장 크다. 이 조성의 합금을 좁은 의미에서 퍼멀로이라고 하며, 78-퍼멀로이 또는 JIS 규격에서 퍼멀로이 A라고도 한다.

Ni 함량이 적으면 투자율은 작아지지만 포화자속밀도는 커진다. Ni 함량이 36%인 36-퍼멀로이(JIS 규격 퍼멀로이 D), 45%인 45-퍼멀로이(JIS 규격 퍼멀로이 B) 등이 사용된다.

78-퍼멀로이에 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 크로뮴(Cr) 등을 첨가하면 투자율을 더 높일 수 있으며, JIS 규격에서는 퍼멀로이 C라고 한다. 가장 높은 투자율을 가진 슈퍼멀로이는 니켈 79%, 몰리브덴 5%의 조성을 가진다.

3.2. 분류 (JIS 규격 기준)

JIS (일본공업규격)에서는 퍼멀로이를 조성에 따라 다음과 같이 분류한다.

* 78-퍼멀로이 (퍼멀로이 A): 니켈 함량 약 78.5%로, 자기이방성과 자기변형률 상수가 0에 가까워 초기 투자율이 가장 크다.
* 45-퍼멀로이 (퍼멀로이 B): 니켈 함량 약 45%로, 투자율은 낮지만 포화자속밀도가 크다.
* 36-퍼멀로이 (퍼멀로이 D): 니켈 함량 약 36%로, 45-퍼멀로이와 유사한 특성을 가진다.
* 퍼멀로이 C: 78-퍼멀로이에 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 크로뮴(Cr) 등을 첨가하여 투자율을 더욱 높인 합금이다.
* [[슈퍼멀로이]]: 니켈 79%, 몰리브덴 5%의 조성으로, 매우 높은 투자율과 낮은 보자력을 가진다.

4. 응용 분야

높은 투자율과 낮은 보자력으로 인해, 퍼멀로이는 효율적인 자기장 생성 및 감지가 필요한 응용 분야에 자주 사용된다. 니켈과 철의 합금으로, 일반적으로 니켈 80%, 철 20%로 구성되는 이 자성 합금은 에너지 손실이 적어 자기 센서, 변압기, 인덕터의 성능 향상에 유익하다. 퍼멀로이는 또한 외부 자기 간섭으로부터 전자 장비를 보호하는 자기 차폐 재료 생산에도 사용된다.

* 자기 센서: 정밀한 자기장 측정이 필요한 센서에 사용된다.
* 변압기 및 인덕터 코어: 에너지 손실을 줄여 효율을 높인다.
* 자기 차폐: 외부 자기장으로부터 전자 장비를 보호한다.
* 해저 케이블: 20세기 초반, 퍼멀로이는 해저 전신 케이블의 인덕턴스 보상을 위해 처음 개발되었다. 벨 연구소의 구스타프 엘먼이 개발하고, 열처리를 통해 투자율을 향상시킨 퍼멀로이 테이프를 감으면 전신 케이블의 신호 전송 속도를 네 배까지 높일 수 있다고 알려졌다.

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5. 한국에서의 활용

퍼멀로이는 높은 투자율과 낮은 보자력을 가져, 효율적으로 자기장을 만들거나 감지해야 하는 곳에 자주 사용된다. 니켈과 철을 섞어 만든 합금으로, 보통 니켈 80%와 철 20%로 이루어진 이 합금은 에너지 손실이 적어 자기 센서, 변압기, 인덕터의 성능을 좋게 만드는 데 유용하다. 또한, 퍼멀로이는 외부 자기장의 간섭으로부터 전자 장비를 보호하는 자기 차폐 재료를 만드는 데도 쓰인다.